„Skuteczność oczyszczania ścieków pochodzących z hodowli ryb łososiowatych w innowacyjnych hydrofitowych systemach, ze szczególnym uwzględnieniem utylizacji związków azotu” – cz.2.

Działalność człowieka przyczynia się do zanieczyszczenia ekosystemów wodnych. Najczęściej spotykanym negatywnym efektem antropopresji jest eutrofizacja wód. Główną przyczyną tego procesu jest nadmierny dopływ do wód związków azotu i fosforu. W wodach zeutrofizowanych obserwujemy masowy rozwój glonów, pogarszanie warunków świetlnych w strefie litoralu dla zanurzonych makrofitów, wyczerpywanie zasobów tlenu w hypolimnionie i osadach dennych, uwalnianie fosforu z osadów w warunkach beztlenowych. Wszystkie te zjawiska prowadzą do przemiany ekosystemów wodnych i ograniczenia ich wykorzystania. Dodatkowe mogą prowadzić w skrajnych przypadkach do zmniejszenia populacji organizmów zasiedlających te ekosystemy, a tym samym ich degradacji.

W celu dbałości o jakość ekosystemów wodnych przedsiębiorcy wprowadzają wysoko zaawansowane technologie oczyszczania wód poprodukcyjnych, co dotyczy również akwakultury.

Wzrost świadomości konsumentów o wpływie jakości produkowanej żywności na zdrowie człowieka oraz potrzeba zachowania środowiska w stopniu umożliwiającym jego dalsze wykorzystanie

przez kolejne pokolenia wymusza certyfikację działalności przedsiębiorstw prowadzących chów i hodowlę ryb.

Firma Aquaculture Stewardship Council opracowała program certyfikacji tego rodzaju działalności gospodarczej opierając się na dwóch zasadach związanych z ograniczeniem zużycia wody

(np. zastosowaniem recyrkulacyjnego systemu obiegu wody – RAS) i procesem jej oczyszczania oraz ze zmniejszaniem zużycia energii (optymalizacja gęstości obsady) i emisji gazów cieplarnianych.

Takie certyfikaty uzyskują nie tylko firmy zagraniczne jak np. w 2022 r. rodzina gospodarstw Riverence produkująca pstrągi w USA, ale też firma z Polski, tj. Jurassic Salmon Sp. z o.o.

Jurassic Salmon Sp. z o.o. to pierwsza na świecie w pełni organiczna ferma łososia atlantyckiego wykorzystująca wodę termalną sprzed 150 milionów lat. Firma informuje, że jest jedyną hodowlą w Polsce z certyfikatem ASC.

Ścieki z akwakultury zawierają odpady stałe i rozpuszczone składniki, w tym związki azotu i fosforu. W zależności od systemu redystrybucji wody w gospodarstwach rybackich stosowane są odmienne metody oczyszczania wód zużytych zarówno w systemach przepływowych jak i systemach z recyrkulacją wody. Stopień, w jakim woda bywa ponownie wykorzystywana w gospodarstwie rybackim jest bardzo zmienny. Na ogół ten czynnik stanowi podstawę do określenia różnych typów systemów recyrkulacji jak np. chów intensywny (pstrąg tęczowy, sum europejski i jesiotr w stawach powietrznych, zbiornikach, bieżniach, klatkach lub zagrodach) czy chów o wysokiej intensywności (ryby ciepłolubne i zimnowodne w systemach RAS), choć ma charakter arbitralny.

Przykładowo w produkcji pstrąga tęczowego prowadzonego w recyrkulacyjnym systemie obiegu wody (ok. 10 m3  wody na tonę ryb w porównaniu z hodowlą karpia w stawach ok. 21000 m3) dla zachowania optymalnych warunków wzrostu narybku i osobników dorosłych należy oczyszczać wody poprodukcyjne na każdym etapie i przestrzegać określonej zmienności parametrów fizyko-chemicznych wód, tj. stężenia tlenu rozpuszczonego w wodzie, odczynu wody, BZT5, utlenialności, twardości wody, stężenia jonów żelaza, amoniaku, wolnego CO2, zawartości zawiesin ciał stałych

i temperatury wody.

W Polsce ryby łososiowate stanowią 44% całkowitej produkcji.

Nie jest to zadanie proste, bowiem wymaga sprawnego systemu opartego na procesie oczyszczania mechanicznego i biologicznego oraz oczyszczania ścieków w lagunie hydrofitowej.

Odprowadzenie doczyszczonych wód poza obiekt, czyli do ekosystemu wodnego tj. cieku lub zbiornika wodnego stanowi ostatni etap wykorzystania wody w gospodarstwie rybackim.

Fitoremediacja polega na zastosowaniu roślin, które są zdolne do wzrostu w skażonym środowisku, a oprócz tego oddziałują na biologiczne, chemiczne i fizyczne procesy mające na celu usunięcie substancji szkodliwych z układu biologicznego. Istnieje wiele mechanizmów, które w różny sposób zapewniają oczyszczenie z zanieczyszczeń danego ekosystemu, w tym wodnego.

I tak fitodegradacja, ryzodegradacja i fitostymulacja wiążą się z pobraniem przez roślinę zanieczyszczeń organicznych z osadów, wód gruntowych czy powierzchniowych, a następnie na drodze metabolicznej dochodzi do ich transformacji za pomocą kompleksów enzymatycznych. Te procesy zachodzą również w ich strefie korzeniowej roślin. Rozkład pobranych przez roślinę związków jest całkowity do CO2 i wody lub częściowy. Pochodne częściowego rozkładu mogą być wbudowywane w struktury roślinne na drodze lignifikacji. W wyniku fitostymulacji dochodzi do stymulowania działalności mikroorganizmów glebowych przez wydzieliny korzeniowe w celu przyspieszenia przekształcania zanieczyszczeń.

Przy fitoekstrakcji / fitoakumulacji roślina pobiera zanieczyszczenia z osadów przez system korzeniowy, a następnie transportuje je i akumuluje w tkankach. Należy zwrócić uwagę na fakt, że niektóre

z roślin wodnych, tj. trzcina pospolita, akumulują znaczne ilości metali.

Przykładowo sekwencyjny przepływ wody zanieczyszczonej miedzią przez pojemniki wypełnione różnymi gatunkami roślin wodnych (rogatek sztywny, żabiściek pływający i rzęsa drobna) może zapewnić pożądany poziom obniżenia stężenia metalu w wodzie, to jest zgodny z normami prawnymi określonymi w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dn. 25 czerwca 2021 r. w sprawie klasyfikacji stanu ekologicznego, potencjału ekologicznego i stanu chemicznego oraz sposobu klasyfikacji stanu jednolitych części wód powierzchniowych, a także środowiskowych norm jakości dla substancji priorytetowych.

Wymagania dotyczące akceptowanego stężenia Cu w wodzie są stale podwyższane, co wymusza stosowanie bardziej efektywnych w pobieraniu tego metalu roślin wodnych.

Z kolei mechanizm ryzofiltracji wynika ze zdolności roślin wodnych do adsorbowania lub wytrącania ksenobiotyków na powierzchni korzeni lub pobierania i akumulacji zanieczyszczeń w tkankach korzeni.

Sorpcja zanieczyszczeń polega na złożonych oddziaływaniach fizyko-chemicznych pomiędzy rośliną i ksenobiotykiem głównie poprzez procesy wymiany jonowej i chelatacji. Procesy te mogą zachodzić również na martwej tkance korzeniowej.

Duże znaczenie odgrywa również mechanizm fitostabilizacji oparty na unieruchomieniu zanieczyszczeń w strefie korzeniowej, gdzie następuje ich chemiczna redukcja związana ze stopniem utlenienia metalu, np. miedzi, przez co stają się niedostępne dla roślin.

W fitoewaporacji, po pobraniu przez roślinę zanieczyszczenia, dochodzi do transpiracji substancji chemicznych i odparowania ich w zmodyfikowanej formie. Mechanizm ten ma zastosowanie szczególnie w środowisku wodnym oraz w przypadku gleb/osadów skażonych takimi metalami jak: Se, As lub Hg.

Fitoodparowaniu mogą ulegać również takie związki organiczne jak np.: benzen, trójchloroetylen, fenol, nitrobenzen i atrazyna.

W wyniku rozwoju i wzrostu roślin wodnych w lagunach hydrofitowych dochodzi do akumulacji w ich tkankach głównych składników pokarmowych, tj. węgla, azotu i fosforu oraz wielu jonów, w tym cynku, żelaza lub miedzi będących kofaktorami reakcji enzymatycznych. W ten sposób rośliny wodne pełnią bezpośrednią rolę w usuwaniu tych pierwiastków z wód poprodukcyjnych. W liściach akumulowany jest głównie azot, a metale gromadzone są w korzeniach.

Istnieją różnice w akumulacji związków biogennych przez poszczególne gatunki roślin. Rośliny wynurzone (np. trzcina pospolita) mają mniejszą zdolność do bioakumulacji azotu, w porównaniu do roślin pływających (hiacynt wodny).

Wiele z roślin wodnych, jak np. trzcina pospolita, pałka szerokolistna i wąskolistna lub jaskier, posiadają gęste korzenie tworzące sieć, działającą jak naturalny filtr. Korzenie te zatrzymują mechanicznie duże cząsteczki zanieczyszczeń i osady występujące w wodach poprodukcyjnych, co prowadzi do ich oczyszczenia.

Istotnym i często pomijanym elementem w zapewnieniu dobrej pracy laguny hydrofitowej jest zarządzanie biomasą. Dobrze jest po zakończeniu okresu wegetacyjnego roślin w cyklu 2-3 lat,

usunąć je z powierzchni z wykorzystaniem specjalistycznych maszyn. Tak uzyskana biomasa staje się surowcem do produkcji biogazu, jednego z odnawialnych źródeł energii.

Makrofity charakteryzują się różnym czasem życia swoich osobników. Jako martwe stają się źródłem węgla i podłożem dla wzrostu mikroorganizmów oraz glonów, które również wykorzystują azot jako składnik odżywczy.

Ukorzenione i zanurzone rośliny transportują tlen do zalanych wodami poprodukcyjnymi podłoży glebowych lagun, co przyspiesza proces nitryfikacji jonów amonowych. Następnie jony azotanowe(V)

w procesie denitryfikacji przekształcane są do form gazowych (N2O i N2). W obu procesach uczestniczą różne grupy mikroorganizmów.

O skuteczności usuwania azotu przez rośliny wodne decyduje obciążenie hydrauliczne laguny azotem, dostępność światła, temperatura, pH wód, pora roku, zbiór roślin i dostępność innych składników odżywczych. Czynniki te w odmiennym stopniu oddziaływują na różne gatunki roślin, dlatego dobór roślin do laguny hydrofitowej należy rozpatrywać w ramach zintegrowanego podejścia do oczyszczania wód o danym składzie fizyko-chemicznym.

Efektywniejsze w dostarczaniu tlenu są rośliny zakorzenione (przęstka pospolita) niż unoszące się na wodzie (żabiściek pływający).

O skuteczności usuwania azotu przez rośliny wodne decyduje obciążenie hydrauliczne laguny azotem, dostępność światła, temperatura, pH wód, pora roku, zbiór roślin i dostępność innych składników odżywczych. Czynniki te w odmiennym stopniu oddziaływają na różne gatunki roślin, dlatego dobór roślin do laguny hydrofitowej należy rozpatrywać w ramach zintegrowanego podejścia do oczyszczania wód o danym składzie fizyko-chemicznym.

W systemach hydrofitowych oczyszczanie wód zanieczyszczonych opiera się na procesach biologicznych wspomaganych udziałem różnych mikroorganizmów oraz roślin wodnych i wodolubnych, egzystujących w odpowiednio zaprojektowanych obiektach, tj. filtrach gruntowych lub stawach.

Zmniejszenie stężenia substancji biogennych i innych zanieczyszczeń zachodzi w wyniku sedymentacji, filtracji i sorpcji związków organicznych przez mikroorganizmy; rozkładu materii organicznej przez drobnoustroje w warunkach beztlenowych i tlenowych; mikrobiologicznych przemian związków azotu; sorpcji i strącania fosforu; pobierania związków węgla, azotu i fosforu oraz metali przez rośliny; naturalnemu niszczenia organizmów patogennych pod wpływem promieniowania UV lub oddziaływania mikroflory; spulchniania i dotleniania podłoża glebowego; tworzenia obszarów siedliskowych dla roślin i mikroorganizmów oraz poboru wody przez rośliny.

O wielkości i sposobie budowy takiego obiektu decydują właściwości fizyko-chemiczne oczyszczanych wód i ich objętość, odpowiednio dobrany gatunek lub gatunki roślin wodnych, parametry fizyczne stawu, rodzaj podłoża, przepływ wód, dodatkowe odstojniki bez roślinności, systemy wspomagania dostarczające tlen lub CO2, warunki ekologiczne terenu.

Istnieje wiele systemów klasyfikacji obiektów hydrofitowych. Jednym z najczęściej stosowanych kryteriów podziału jest kierunek przepływu ścieków i rodzaj wykorzystanej roślinności. Kryteria te mają istotny wpływ na przebieg oczyszczania w złożach, a co za tym idzie wybór optymalnego ich zastosowania. Złoża z przepływem powierzchniowym to systemy, w których większość wody zanieczyszczonej przepływa nad podłożem i ma stale zalaną powierzchnię, w przeciwieństwie do systemów z podpowierzchniowym przepływem, gdzie większość wody zanieczyszczonej przepływa przez porowate wypełnienie w różnym czasie.

W umiarkowanej strefie klimatycznej (Europa) do oczyszczania ścieków stosowane są przede wszystkim systemy hydrofitowe budowane w postaci złóż z podpowierzchniowym poziomym  (SS HF − subsurface horizontal flow) lub pionowym przepływem ścieków (SS VF − subsurface vertical flow).

Skuteczne usuwanie związków azotu możliwe jest jedynie w systemach wielostopniowych, złożonych z co najmniej dwóch złóż, o zmiennym poziomym i pionowym przepływie wód zanieczyszczonych.

Systemy hydrofitowe z przepływem podpowierzchniowym poziomym są praktycznie zawsze projektowane w celu uniknięcia zalania powierzchni. Z kolei zalewanie powierzchni w złożach z przepływem pionowym może być krótkotrwałe.

W systemie z podpowierzchniowym poziomym przepływem wody zanieczyszczone doprowadzane są do bloku rozprowadzającego i następnie przepływają poziomo przez złoże wypełnione piaskiem i żwirem, a następnie poprzez blok zbierający i rurę odprowadzającą odpływają ze złoża. Taki sposób konstrukcji i przepływu umożliwia jego podtopienie, które jest zalecane w celu zapewnienia odpowiednich warunków pracy, jednak skutkuje to tworzeniem się w złożu SS HF warunków niedotlenionych.

System z przepływem pionowym składa się zazwyczaj ze złoża wypełnionego piaskiem lub żwirem, poprzez które woda zanieczyszczona przemieszcza się w kierunku pionowym, a otwarty wylot umiejscowiony jest u podstawy złoża. Proces zachodzi w warunkach nienasyconych panujących przez większą część czasu pracy. Sieć perforowanych rur wykorzystywana jest do rozprowadzania ścieków na powierzchni złoża w taki sposób, aby uniknąć zalania tej powierzchni. Roślinność stanowią zwykle gatunki roślin wynurzonych.

Systemy z podpowierzchniowym przepływem wód zanieczyszczonych różnią się potencjałem biodegradacji. Powodem częstszego stosowania SS VF jest znacznie większa zdolność przenoszenia tlenu, a co za tym idzie, bardziej skuteczne usuwanie BZT5, ChZT i patogenów, przy jednocześnie znacznie mniejszych rozmiarach tego złoża, w porównaniu do systemów złoża SS HF mającego zapewnić taki sam, lub nawet wyższy efekt oczyszczania.

Każda technologia oczyszczania ścieków lub doczyszczania wód poprodukcyjnych ma swoje ograniczenia. Tak samo jest w przypadku systemów hydrofitowych opartych w większości na procesach biologicznych. Kontrola pracy mierzona efektywnością usuwania związków biogennych nie jest wystarczającą dla zachowania prawidłowej pracy tego systemu. Należy prowadzić przeglądy zastosowanych w systemie urządzeń technicznych jak i uzupełniać nasadzenia roślinności w sytuacjach ich obumarcia na dużej powierzchni.

Skład ścieków w akwakulturze związany jest ze sposobem prowadzenia chowu i hodowli danych gatunków ryb. Mikroglony coraz częściej znajdują zastosowanie w doczyszczaniu wód poprodukcyjnych z różnych gałęzi produkcji żywności, w tym ryb. Decyduje o tym dostępność związków azotu i fosforu oraz pierwiastków metalicznych.

Oczyszczanie wód zanieczyszczonych w połączeniu z uprawą glonów prowadzi się kulturach zamkniętych i otwartych. Fotobioreaktor wydaje się być lepszym rozwiązaniem technologicznym z uwagi na prowadzenie procesu hodowli w warunkach kontrolowanych w porównaniu z uprawą w otwartych stawach.

Doczyszczanie wód poprodukcyjnych można prowadzić także poniżej wymaganego przepisami poziomu stężenia związków biogennych.

Efektywność oczyszczania w fotobioreaktorze z mikroglonami jest bardzo wysoka i daje możliwość włączenia takiego systemu do gospodarki wodno-ściekowej gospodarstwa rybackiego.

Istotnym jest też przeprowadzenie badań nad wyborem gatunku mikroglonów.

W zależności od gatunku oraz warunków hodowli, glony mogą charakteryzować się wysoką zawartością tłuszczów czy cukrów.

Związki te mogą być przekonwertowane na różne formy energii.

Konwersja może odbywać się na drodze procesów termochemicznych, biochemicznych, chemicznych i spalania bezpośredniego. W optymalnych warunkach hodowli mikroglony rozmnażają się szybko, ale nie akumulują dużo materiałów zapasowych. Natomiast w warunkach stresowych metabolizm kwasów tłuszczowych tych organizmów prowadzi do biosyntezy i gromadzenia triacylogliceroli, które mogą stanowić aż 80% całkowitej zawartości lipidów w komórce i mogą być przekształcone na biodiesel. Czynnikiem stymulującym ten proces jest ograniczenie dostępności azotu.

Z biomasy mikroglonów można uzyskać również biowodór i biogaz. Z kolei mikroglony o wysokiej zawartości cukrów mogą stanowić substrat do produkcji bioetanolu.

Pozyskane paliwo może zostać wykorzystane do wytworzenia energii elektrycznej, której zużycie w gospodarstwie rybackim z RAS jest wysokie.

Dobrze zaprojektowane i działające systemy hydrofitowe skutecznie redukują stężenie związków biogennych w wodach poddanych doczyszczaniu spełniając wymagania określone w pozwoleniach wodno-prawnych dotyczących odprowadzania wód z działalności produkcyjnej do naturalnych zbiorników wodnych.

Połączenie hodowli ryb z wykorzystaniem wód poprodukcyjnych, które zawierają składniki biogenne do uprawy roślin stosowanych w akwarystyce czy hodowli glonów na cele energetyczne jest korzystne dla zachowania środowiska wodnego i ograniczenia antropopresji.